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1、目录杰事杰集团概况1 1 热塑性复合材料介绍2 2 热塑性复合材料在汽车轻量化领域的应用 3 3 存在的问题与发展趋势4 4杰事杰公司简介l Genius是由中国第一个工程塑料博士杨桂生在1992年担任国家八五重大科技攻关项目组长期间创办，是中国最早从事工程塑料改性的企业。l Genius一直致力于工程塑料和先进热塑性复合材料的研发和产业化服务，为客户提供系统解决方案，填补我国工程塑料领域的多项空白，是带动中国高分子新材料产业的发展的领军企业。电器 汽车 军工 建筑产品覆盖面广应用于多个行业领域产品附加值高为全球客户提供整体解决方案电工IT水利 石化 铁路运输 新能源产品应用于多个行业为客户提
2、供新材料系统解决方案杰事杰公司简介l 杰事杰始终坚持“以塑代钢、节能减排”，以“为中国制造业减负”为己任，多年来十分重视热塑性复合材料及下游应用的研发，在该领域处在国内领先水平。l 杰事杰尤其注重高性能热塑性复合材料的开发，在LFT，CFT等领域，处在国内领先水平。l 杰事杰是工程塑料行业在中国汽车轻量化联盟内的伙伴单位。杰事杰公司简介 杰事杰在工程塑料和热塑性复合材料领域的发明专利达1600件，占同行业50%以上，在高分子新材料领域有丰富的技术积累；超高韧性高强度聚丙烯组合物及其制备工艺”（专利号：ZL99113928.3）获得第15届中国专利奖金奖，专利核心是解决聚丙烯超高韧性和高强度这对
3、矛盾，从而实现塑料制件减薄、汽车减重；l 杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力杰事杰公司简介 我国工程塑料比先进国家落后 20 年，而工程塑料的 CAE 仿真模拟技术更是落后 30 年 杰 事杰是行业内第一家建立工程塑料选材设计分析仿真验证系统的企业，率先将高分子成型模拟仿真与机械工况模拟仿真耦合操作，创立了结合材料配方、产品设计、成型工艺优化于一体的计算机辅助工程开发系统，把我国的选材水平提升了一大步建立工程塑料选材设计分析仿真系统的意义n 缩短以塑代钢等领域项目中结构设计的周期，解决结构设计中产品重量机械性能之间的博弈难题n 整合工程塑料领域材料研发、工艺技术改进、结构设计创新之间的关系n 指
4、导材料研发的方向，缩短研发周期，降低研发成本l 杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力杰事杰公司简介 杰事杰申报的“工程塑料选材设计分析仿真工程实验室”获得了石油和化工联合会的批准，杰事杰成为行业第一家拥有工程塑料选材设计分析仿真实验室的公司，该实验室为材料厂商和制件厂商架起了一座桥梁。l 杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力汽车轻量化的重要意义l 汽车轻量化，是汽车行业发展的必由之路 节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一；减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出，汽车的自身质量每
5、减少10%，燃油的消耗可降低68%；l 根据最新资料，国外汽车自身质量同过去相比减轻了20%26%。预计在未来的10年内，轿车自身质量还将继续减轻20%。l 汽车轻量化水平的高低，已成为衡量一个国家汽车发展水平的重要标志。汽车轻量化的途径轻量化 轻量化方案 方案以轻代重以塑代钢以少代多金属零件复合材料化零件集成化非金属材料轻质化从选材角度来说，轻量化设计选择的材料包括：高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料。诸多的轻量化材料中，由于复合材料更轻的密度、高强度和设计自由度，成为汽车轻量化设计的热点材料。复合材料在汽车轻量化的重要地位与整车价位有关的材料轻量化设计技术路线1、低价位车型（10
6、万）：以钢为主+玻纤增强材料的应用；2、中等价位车型（10-20万）：以钢为主+少量的铝合金+玻纤增强材料的应用；3、高价位车型（20-80万）：以钢为主+多量的铝合金+玻纤增强材料的应用；4、高端车型（80万）：以铝合金为主+玻纤增强材料和碳纤复合材料的应用；复合材料在汽车轻量化的重要地位 在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150Kg，占汽车总重量的10%我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平 汽车塑料制品根据其应用部位，可分为内装件、外装件、功能件。对于强度要求较高的制件，需要采用高性能复合材料。汽车上塑料的使用
7、量每年呈递增趋势热塑性复合材料l 热塑性复合材料 是以玻璃纤维，碳纤维，芳烃纤维及其他材料增强各种热塑性树脂的总称，国外称其为FRTP（fiber reinforced thermoplastics）。l 与热固性材料相比的优点 与热固性复合材料相比，方便回收利用，材料利用率高；具有可二次加工特性；更加的抗冲击性能；预浸料存放环境与时间无关；生产过程环保，无有毒物质挥发物产生。由于热塑性塑料可供选择的范围更广，故此选材设计的自由度更高；制品的成型加工周期短，适合汽车工业所要求的大规模生产的需要。热塑性复合材料l FRTP主要产品分类u 短纤维增强热塑性复合材料（SFT，Short fiber
8、reinforced thermoplastic）最为传统的热塑性复合材料，主要包括增强PP、PA、PBT和PET，主要替代对强度和模量要求较高的场合。u 长纤维增强热塑性复合材料（LFT，long fiber reinforced thermoplastic）纤维长度为6-25mm，甚至更长。根据具体实现方式的不同，可分为LFT-G和LFT-D两种工艺。过去十年间，LFT的年增长量高达30%，目前的产量已经超过GMT。u 连续纤维增强热塑性复合材料（CFT，continuous fiber reinforced thermoplastics）SFTLFT CFT热塑性复合材料l 纤维长度与性
9、能的关系l 随着纤维保留长度的增加，材料的力学性能、刚度、冲击强度迅速增加。l LFT和CFT由于性能优良，故又称为先进热塑性复合材料。SFT：增强纤维长度0.2-0.6mm，LFT：纤维长度6-25mm;CFT：纤维连续长纤维增强热塑性复合材料l LFT所选用纤维 玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属纤维、甚至有机纤维；玻璃纤维价格便宜，性价比高，LFT中玻璃纤维用量占90%以上，其次是碳纤维。如采用有机纤维，则LFT可具有极高的韧性。l 基体树脂 主要是PP、PA6、PA66，PBT、PET、以及PPS、PEEK等特种工程塑料。其中PP占80%以上，其次是PA66和PA6。非晶态的树脂如ABS
10、、PS、AS等，较少使用。基体树脂要求具有高流动性，以便于对纤维进行浸渍。长纤维增强热塑性复合材料l LFT的性能特点 力学性能优异，远高于SFT，比强度高于金属材料；抗蠕变性和耐疲劳性优良；制品尺寸稳定性高，成型收缩率小；纤维易于形成三维网络交错排布，制品的各项异性小，制品翘曲低，成型缺陷少；在宽温度范围和气候条件下非常好的稳定性；对缺口冲击敏感度低，具有高抗冲击强度，特别是低温冲击强度高；可循环回收利用，绿色环保。易于加工成型，生产效率高，加工成本低。LFT制件燃烧灰烬LFT制件中玻纤保留长度高玻纤交错排布，形成三维网络长纤维增强热塑性复合材料l LFT优异的力学性能长纤维增强热塑性复合材
11、料l 高强度LFT系列产品 如取代承重要求高的金属材料，则需要更高的强度和模量。通用高强度LFT基体采用尼龙，增加玻纤含量或采用碳纤维。表2 杰事杰高强度LFT系列典型牌号性能产品牌号基本性能拉伸强度（MPa）密度（g/cm3）比强度（拉伸强度/密度）弯曲强度（MPa）弯曲模量（MPa）纤维含量AC50902201.56141318 12000 50%AC60902401.57152336 12500 50%PA6+30%（LCF）2451.26194400 17500 30%普通钢 3757.848250 210000铝合金 2002.871200 70000u 可以看出，高强度LFT不仅绝
12、对强度与金属材料相近，而且由于密度低，其比强度则远高于金属材料。u 采用高强度LFT，可以在结构设计上取代金属，制作承重要求高的部件。为汽车轻量化设计提供可能。长纤维增强热塑性复合材料l LFT-G生产工艺 生产流程示意图 生产现场杰事杰参与2002年国家“863”项目，在国内率先独立开发出LFT系列产品，拥有自主知识产权，在国内处于领先水平。LFT-G的核心技术：l 实现高粘度塑料基体对纤维纱的充分浸渍，合理的模具设计是关键；l 玻纤退捻与生产的连续性；l 在充分浸渍的前提下提高牵引速度。长纤维增强热塑性复合材料l LFT-G成型工艺 可通过注塑成型和模压成型加工制品，工艺成熟度高，生产效率
13、高，可以生产结构复杂的制件，加工成本低。预热温度模温快速合模冷却15s/2m注塑成型一般所用粒子长度小于12mm需要配置特殊螺杆和浇口，以减少成型过程中对玻纤的过度破坏模压成型一般所用粒子长度为25mm左右模压成型有利于最大限度保长纤维增强热塑性复合材料l LFT与BMC和SMC的比较优势 SMC：片状模塑料（Sheet Molding Compound）BMC：团状模塑料（Block Molding Compound）SMC/BMC为热固性塑料，难以回收；SMC和BMC在模具内是热固化过程，加工周期长，生产效率低。而LFT的成型过程是摸内物理冷却过程，速度快。由于环境保护的压力，BMC和SM
14、C逐步被LFT所取代。长纤维增强热塑性复合材料l LFT-D（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct）直接在线长纤维增强热塑性复合材料LFT-D生产工艺示意图长纤维增强热塑性复合材料l LFT-D生产工艺的优缺点国内第一条LFT-D生产线挤出机料坯传送带 模压机l 优点：直接在线制成最终产品，无半成品和中间工序，避免二次熔融过程，节能高效，对于生产大型LFT制件，有明显的优势。l 缺点：只适合模压工艺，设备过于庞大，不适合小型制件，灵活性较差。l LFT在汽车上的应用长纤维增强热塑性复合材料LFT在汽车零配件中的应用 LCFT汽车轮毂前端组件、保险杠
15、支架、杂物箱、内门板组件、结构框架、内饰件支架.长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的应用东风标志206换挡器底座安全气囊外壳(东南)福特和马自达承载门板通用车型天窗排水槽马自达前端支架福特汽车中控台骨架长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的应用 汽车内门板(左前)(马自达)汽车内门板（左后）(马自达)项目 原重 现重前门板 1950g 900g后门板 1640 750长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域新产品开发案例某增程车电池系统上盖-1设计要求1.减重40%；铁质27Kg2.满足承载、频率的刚度要求；3.材料满足热性
16、能、电性能等要求；技术难点1、强度要求高；2、制件尺寸大，1.8m；3、模具设计及翘曲控制较难长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例某增程车电池系统上盖-1选材方案评估结果：1、采用长纤料；2、11个浇口、热流道、顺序进浇长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例某增程车电池系统上盖-1实际结果：1.减重66%，塑料件8Kg；2.工艺验证一次性通过；3.满足结构的刚度、强度要求；4.材料满足使用要求；长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例设计要求与上一代相同，难点：除工艺外，结构自振频
17、率高于50Kz也需要重点考虑。1.6m*1.2m某增程车电池系统上盖-2 长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例某增程车电池系统上盖-2 经过多轮结构优化，最终结果如下：LFT材料加合理的结构设计，频率条件满足要求；工艺条件：12个浇口、热流道、顺序进浇。长纤维增强热塑性复合材料l 杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例某增程车电池系统上盖-2 实际结果：1.减重60%，塑料件9Kg；2.工艺验证一次性通过；3.满足结构的自振频率高于50Hz要求。4.满足密封、强度等其他要求；已经批量生产。其他在汽车轻量化领域的探索l 杰事杰复合材料在汽车轻量化
18、领域的应用典型案例防撞梁吸能盒 发泡铝吸能块吸能盒作用：通过 自身的压溃变形将碰撞中产生的能量转化为内能，吸收能量，并将由前横梁传递来的碰撞力均匀。吸能盒材料：钢制吸能盒，铝合金吸能盒铝合金吸能盒一次减重效果可达30%40%，二次减重则可提高到50%。其他在汽车轻量化领域的探索l 杰事杰复合材料在汽车轻量化领域的应用典型案例新吸能模块淬火铝合金吸能量计算：新吸能模块3365J；淬火铝合金3579J；铝合金2094J。吸能减重效果明显。铝合金能模块复合材料蜂窝吸能块连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l 杰事杰集团经过多年的研究，率先开发出了具有完全自主知识产权的连续纤维增强热塑性复合材料（TP
19、AC），打破了国外对该项技术的垄断，并实现了工业化，填补了国内空白。核心技术热塑性预浸带连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）单向CFT预浸带 双向CFT预浸带l CFT初级产品l CFT的性能特点 极高的强度，单向带强度可达700MPa以上，双向带可在300MPa以上；极佳的冲击韧性和耐低温性能，冲击强度可达150Kj/m2以上；增强纤维的连续性，使得CFT材料几乎不发生蠕变；与热固性预浸带不同，CFT不存在储存期的问题。连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l CFT优异的力学性能拉伸强度(Mpa)抗冲击强度(KJ/m2)0100200300400500600700800HDPEPVCPP单向
20、带指 标 HDPE PVC PP 单向带拉伸强度(MPa)21 32 30 700抗冲击强度(KJ/m2)20 7 8 179连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l CFT优异的吸能和抗冲性能落球冲击试验3mm厚的不锈钢板和CFT板材，落球冲击（球重1.5Kg，高度2m）后，不锈钢板出现不可恢复的形变，CFT板材没有任何变化。连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l CFT当前的应用领域RTP管道结构层 C76运煤火车车门SQ2双层特货上端门铁路棚车内衬板集装箱地板增强连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l CFT在汽车轻量化领域的应用前景 由于力学性能优良，强度可与钢媲美，而密度只有钢材的1/
21、6，故此CFT在汽车轻量化领域可望获得广泛的应用，以取代对承重要求更高的金属部件或部分车体材料。l CFT在汽车轻量化应用需解决的问题 尽管CFT性能优异，但目前尚未在汽车领域广泛应用；容易通过模压工艺生产板材，但对结构复杂带有精细结构的制件，成型难度较大；由于受压时流动等原因，制品中玻纤的分布不均匀，尤其在薄壁处或边角处玻纤含量低，导致局部强度不够。而通常边角处需要打孔装配，需要做后处理。适于CFT成型的配套装备欠缺。l 尽管在加工技术上尚不成熟，但由于其优异的性能，CFT仍然是汽车轻量化选材的十分诱人的备选材料，随着加工装备的不断完善，CFT必将在汽车领域占有一席之地。l 技术解决方案：C
22、FT 预制件与注塑或模压工艺结合连续纤维增强热塑性复合材料（CFT）l CFT在汽车轻量化领域的应用前景CFT轻量化汽车座椅巴斯夫、上汽和延锋江森已共同开发车用轻量化概念座椅，采用基于连续纤维增强的热塑性复合材料替代金属，重量与传统座椅相比减轻达20%，轻薄设计也为第二排乘客增加2.5厘米的膝部空间。高性能塑料提供了优异强度，刚度，韧度，满足了严格的法规要求。热塑性复合材料在汽车行业应用面临的问题l FRTP基体树脂的粘度高，较难对玻纤充分浸渍；l 最高纤维含量受到限制，模量无法与金属相比；l 阻燃是个必须面对的问题，填充阻燃剂后性能下降明显；l CFT成型复杂制件的技术和配套装备需要不断完善；与金属和热固性复合材料相比：FRTP在汽车轻量化应用发展趋势l 由于轻质高强、已加工和实现一体化设计，FRTP是汽车轻量化设计的理想材料；l 由于可回收性问题，FRTP取代热固性复合材料的趋势不可逆转；l 高性能FRTP尤其是LFT，在汽车轻量化中的应用会得到高速发展；l CFT在汽车领域是极有前途的材料；l 碳纤维增强的LFT、CFT有望在未来的全塑汽车上大展身手；l 汽车轻量化领域的产品创新，必须加强设计厂家与材料供应商之间的密切合作。THANKS